基于CFD流場分析的直角煙道優化研究

裴東旭

摘要：本文針對某火電廠燃煤鍋爐機組的脫硫、超低排改造后，出現的煙道內部流動阻力過大，直角彎道導流板破損的情況，對空預器入口的煙道的導流板阻力特性進行研究。首先，通過理論分析煙道流動阻力的規律及煙道流動阻力的計算方法。針對目標煙道段進行優化設計，通過對比不同設計方案的導流板應力用變情況，得出一種較優的直角煙道優化方案，對同類型煙道系統的優化改造提供了一定的指導和借鑒。

關鍵詞：CFD ?流場分析 直角煙道 導流板

Research on Optimization of Right-Angle Flue Based on CFD Flow Field Analysis

PEI ?Dongxu

（Inner Mongolia Datang International Tuoketuo Power Generation Co. Ltd.， Hohhot， Inner Mongolia， 010206 China）

Abstract： In view of the excessive flow resistance in the flue and the damage of the deflector in the right angle bend after the desulfurization and ultra-low emission transformation of a coal-fired boiler unit in a thermal power plant， the resistance characteristics of the deflector in the flue at the inlet of the air preheater are studied in this paper. First， analyze the law of flue flow resistance and the calculation method of flue flow resistance through theory. According to the optimized design of the target flue section， by comparing the resistance reduction effects of different design schemes， a better right-angle flue optimization scheme is obtained， which provides certain guidance and reference for the optimization and transformation of the same type of flue system.

Key Words： CFD; Flow field analysis; Right-angle flue;Deflector

我國前期投產的火力發電廠燃煤發電機組在初期設計的時候，未考慮鍋爐煙道系統的結構降阻和導流板優化設計，在整個煙道系統中，存在很多直角彎頭管段和T型管道管段，而且其內部的導流板布置較為簡單，導致系統運行過程中煙道氣流動阻力較大，對直角彎頭和T形管道內部的導流板造成較大的擾動，長期運行容易導致導流板局部磨損過大，出現掉落失效，嚴重時可造成停爐風險[1] [2]。而近些年進行的燃煤鍋爐機組超低排放改造，導致原有的管道系統變得更加復雜，雖然在直角彎頭和異型管件中進行了一定的結構優化，但煙道系統的阻力仍然較大，存在很大的優化空間。

針對目前國內燃煤機組煙道系統局部阻力較大的現狀，進行局部煙道內部導流板結構優化的需求是十分迫切的，這不僅可以提高電廠燃煤機組煙道系統的局部管件阻力狀態，降低大修和停爐風險，也對國內同類型局部管件的優化提供了一個研究方向。

1煙道流動阻力的計算方法

燃煤電廠煙道中的煙氣流動通常被認為是定常的、不可壓的、湍流氣固兩相流。其流動過程要遵循相應的物理守恒定律，基本的守恒定律主要有：質量守恒定律、動量守恒定律以及能量守恒定律[3] [4]。但對于煙道中的不可壓流動情況，假設流動過程中交換的熱量微乎其微乃至可以忽略不計時，可以忽略能量守恒方程[5][6]。

1.1連續性方程

連續性方程也稱質量守恒方程，煙道內煙氣的流動過程必須滿足質量守恒定律，即：單位時間內煙氣流體微元中增加的質量與同一個時間間隔內流入該煙氣流體微元體中的凈質量相同。

1.2 N-S方程

動量守恒定律可表述為：微元體中煙氣流體的動量相對于時間的變化率等于外界作用在該煙氣流體微元上的諸力之和。

2基于CFD流場分析的直角煙道的優化

通過對某電廠空預器入口直角煙道管段進行數值模擬分析，根據現場實際情況進行建模及數值模擬分析，設置煙氣溫度、煙氣流速、彈性模量、泊松比、密度等相關參數。原始直角煙道內部導流板應變狀態如下圖1所示。

由應變結果可以看出，風管的直角彎道處，中間導流板的受力最大，其中以導流板入口和出口處的中間位置產生的變形最大，最大變形達到5.24mm，查看最大應力達到17.738MPa。

根據現有直角彎道處導流板結構的數值模擬仿真結果以及國內外相關的論文研究成果，選取兩個優化方向進行研究，一是取消現有圓管焊接導流板結構，因初期分析現有導流板結構是，發現導流板前端圓管處會形成大量渦流，而渦流會對導流板造成較大的擾動，造成局部磨損和沖擊，導致局部導流板脫落，同時調整導流板出口板傾斜與外壁一致以及在導流板入口方向增加直線段，優化流體運行狀態;二是同樣取消現有的圓管焊接導流板結構，同時依據現有的仿真模擬結果可以看出，直角彎道處的導流板其中間位置受力情況最差，考慮進行結構加強措施，增加一個中間加強板提升局部強度。通過對上述兩種優化思路進行仿真模擬分析，得出相應的直角煙道內部導流板應力和應變狀態如下圖3所示。其中圖片上部兩個為優化方案一的導流板應力和應變分布圖，圖片下部兩個為優化方案的導流板應力和應變分布圖。

從數值模擬仿真結果可以看出，對于優化方案一，由于直角彎道處導流板前端增加直線段，導流板受煙道氣流動擾動更為劇烈，導流板中間位置受力情況更差，導流板的中間結構部分最大應力由17.728MPa提高至26.388MPa，應變由5.24mm提高至10.398mm，結構狀態下降嚴重，優化方向不理想。對于優化方案二，增加中間加強板厚，直角彎道處導流板中間部分最大應變相比現有結構由5.24mm降低為0.55mm，最大應力由17.728MPa降低為7.91MPa，導流板的力學狀態得到大幅提升，優化結果達到預期。

4結語

本文首先通過理論分析煙道流動阻力的規律及煙道流動阻力的計算方法。其次針對某電廠目標煙道段進行數值模擬分析，通過對比不同設計方案的內部導流板應力及應變狀態，得出一種較優的直角煙道優化方案，對國內火電機組同類型煙道系統的優化改造及節能減排工作具有重要的指導與借鑒意義。

參考文獻

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[3]李婉婉，劉麗萍，賈燕，等 .某1000MW機組電除塵器前后煙道流場特性數值模擬及結構優化[J].熱力發電，2016，45（9）：15-22+43.

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